韋伯太空望遠鏡準備研究50光年之外岩石世界的地質


美國太空總署的韋伯太空望遠鏡的鏡面排列精美,科學儀器正在進行校準,距離全面運行只有幾週的時間。 今年夏天首次觀測結果公佈後不久,韋伯的深入科學研究將開始。

在第一年計劃進行的調查中,有兩顆熱系外行星因其大小和岩石成分歸類為「超級地球」,它們是由熔岩覆蓋的軒轅增十九 e(55 Cancri e) 和無空氣的 LHS 3844 b。研究人員將在這些行星上訓練韋伯太空望遠鏡的高精度光譜儀,以了解整個銀河系行星的地質多樣性,以及像地球這樣的岩石行星的演化。

軒轅增十九 e 的軌道距離它的類太陽恆星不到2,414,016公里(水星和太陽之間距離的二分之一),公轉周期在不到 18小時內完成一圈。由於地表溫度遠高於典型的岩石形成礦物的熔點,地球的白天會由熔岩海洋所覆蓋。

假設圍繞恆星運行的行星由潮汐鎖定,一側始終面向恆星。 因此,星球上最熱的地方應該是最直接面對恆星的地方,來自白天的熱量不應該隨著時間的流逝而發生太大變化。

但這似乎並非如此。 美國太空總署史匹哲(Spitzer)太空望遠鏡對軒轅增十九 e 的觀測顯示,最熱的區域偏離最直接面對恆星的部分,而從白天探測到的總熱量確實有所不同。

對這些觀察結果的一種解釋是,這顆行星有一個動態的大氣層,可以四處移動熱量。軒轅增十九 e 可能有一個以氧氣或氮氣為主的稠密大氣層,科學家使用韋伯太空望遠鏡的近紅外線相機和中紅外線儀器來捕捉行星白天的熱發射光譜。如果它有大氣層,韋伯太空望遠鏡具有探測它並確定它是由什麼構成的靈敏度和波長范圍。

另一個有趣的可能性是軒轅增十九 e 沒有潮汐鎖定。 相反,它可能像水星一樣,每兩個軌道旋轉三圈(即所謂的 3:2 共振)。結果,這顆行星是有晝夜循環。

這樣可以解釋為什麼星球上最熱的部分會發生變化,就好像在地球上一樣,地表升溫需要時間。 一天中最熱的時間是下午,而不是中午。

研究團隊計劃使用近紅外線相機來測試這一假設,以測量軒轅增十九 e 在四個不同軌道上從照亮的一側發出的熱量。 如果行星有 3:2 的共振,他們會觀測到每個半球兩次,並且應該能夠檢測到半球之間的任何差異。

在這種情況下,表面會在白天升溫、融化甚至蒸發,形成韋伯太空望遠鏡可以探測到的非常稀薄的大氣。到了晚上,蒸汽會冷卻並凝結成熔岩液滴,這些熔岩液滴會像雨點一樣回到地表,隨著夜幕降臨,再次變成固體。

雖然軒轅增十九 e 將會提供對熔岩覆蓋世界的奇異地質,但 LHS 3844 b 提供一個獨特的機會來分析系外行星表面的固體岩石。

與軒轅增十九 e 一樣,LHS 3844 b 的軌道非常靠近其恆星,在11小時內完成公轉一圈。由於它的恆星相對較小且較冷,因此這顆行星的溫度不足以使其表面熔化。此外,史匹哲太空望遠鏡的觀測顯示,這顆行星不太可能有大量的大氣層。

雖然我們無法直接用韋伯太空望遠鏡拍攝 LHS 3844 b 的表面照片,但由於沒有遮蔽的大氣,因此可以用光譜學研究它的表面。

由於不同類型的岩石具有不同的光譜,可以看到花崗岩的顏色比玄武岩淺。岩石發出的紅外光也有類似的差異。研究團隊將會使用中紅外線儀器捕捉 LHS 3844 b 白天的熱發射光譜,然後將它與已知岩石(如玄武岩和花崗岩)的光譜進行比較,以確定其成分。如果這顆行星有火山活動,光譜還可以揭示存在微量火山氣體。

這些觀測的重要性遠遠超出銀河系中已確認五千多顆系外行星中的兩顆。它們將為我們提供關於類地行星的奇妙新視角,幫助我們了解早期地球在炎熱時會是什麼樣子,就像今天這些行星一樣。

現時對軒轅增十九 e 和 LHS 3844 b 的觀測將作為韋伯太空望遠鏡第一週期的一般觀測計劃的一部分進行正在使用雙重匿名審查系統競爭性選擇,以便分配觀測時間。

【圖、文:節譯自美國太空總署2022年5月26日新聞公佈】

LHS = Luyten half-second catalog = 魯坦半秒星表

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